新一代手机中的EMC和ESD保护问题

中心议题：

手机ESD和EMI防护设计

手机EMI抗干扰功能

解决方案：

全新的单线保护

ESD阵列优化PCB面积

超高速数据线路保护

手机EMI滤波器设计

最新的无线终端产品大多数都装备了高速数据接口、高分辨率LCD屏和相机模块，甚至有些手机还安装了通过DNB连接器接收电视节目的功能。除增加新的功能外，手机尺寸的挑战依然没有变化，手机还在向小巧、轻薄方向发展。众多功能汇聚在一个狭小空间内，导致手机设计中的ESD和EMI问题变得更加严重。这些问题必须在手机设计的最初阶段解决，并需要按照应用选择有效的解决办法。

ESD和EMI防护设计的新挑战

传统的ESD保护或EMI滤波功能是由分立或无源器件解决方案占主导地位，例如，防护ESD的变阻器或防护EMI的基于串联电阻和并联电容器的PI型滤波结构。手机质量标准的提高和新型IC的高EMI敏感度促使设计人员必须提高手机的抗干扰能力，因此某些方案的技术局限性已显露出来了。

简单比较变阻器和TVS二极管的钳位电压Vcl，就可以理解传统解决方案的局限性。变阻器的钳位电压Vcl(8/20ms@Ipp=10A测试)显示大约 40V，比TVS二极管的Vcl测量值高60%。当必须实施IEC 61000-4-2标准时，要想实现整体系统的稳健性就不能S视这种差别。除这个内在的电压差问题外，在手机使用寿命期内，随着老化现象的出现，无源器件解决方案还暴露出电气特性变化的问题。

因此，TVS二极管解决方案在ESD保护市场占据很大的份额，同时集成化的硅解决方案也是EMI滤波器不可或缺的组件。

是采用单线TVS还是ESD阵列保护?

关于某些充分利用ESD保护二极管的布局建议，我们通常建议尽可能把ESD二极管放置距ESD干扰源最近的地方。最好放在I/O接口或键盘按键的侧边。因此，在选择正确的保护方法之前必须先区分应用形式。

以键盘应用为例，因为ESD源是一个含有多个触点的大区域，最好是设计类似于单线路TVS的保护组件，围绕电路板在每个按键后放置一个ESD二极管。如果采用阵列设计，保护功能将得到保证，但是这种设计将会受到潜在的ESD问题的影响，例如二条线路之间的辐射问题。在这种情况下，手机内部的ESD干扰控制并没有被全面优化。

全新的单线保护

正当单线保护器件被广泛用于抑制ESD放电时，一种在同一封装内集成两个并联二极管的两级钳位概念产生了。图1对传统的单线ESD保护与新型两级钳位二极管组件进行了对比。

与目前的单线ESD保护二极管相比，这种创新将ESD防护性能进一步提高了。如果实施ESD放电，当在该IC输入端上施加15kV空气放电时，两个钳位级确保输出端残留最少的放电电压。

与单ESD解决方案相比，当施加15kV放电电压时，并联两个二极管的方案将输出残余电压降低40%。此外，意法半导体(ST)开发的新封装 SOD882还有助于节省PCB空间，因为即便内置两个二极管，每线仅占用面积0.6mm2。同时，封装高度在0.4到0.5mm之间，特别适合纤薄型和滑板手机。

虽然单ESD二极管在键盘应用中找到了适合自己的位置，但是我们不妨介绍一下二极管阵列解决方案。在多条数据线路通过一个独特的连接器被集中在一点的情况中，ESD阵列二极管通常被用于节省电路板空间，提高连接器保护功能的稳健性。SIM卡连、手机底座连接器、外部存储卡、手机连接器等都是这种情况，如图2所示。

图2：ESD二极管阵列保护的Tflash连接器

ESD阵列优化PCB面积

ESD二极管阵列解决方案的最大优点是，在一个外部尺寸极小的封装内提供4个或5个TVS二极管。实际上，这是保护整个I/O连接器所必须的，因为ESD干扰的入口点通常集中于一个相对较小的面积上。

ESD保护二极管被焊接在I/O连接器附近，用于防止61000-4-2标准规定的8kV接触放电和15kV空气放电时所产生的任何损坏。这意味着当通过一个330Ω电阻给一个150pF电容放电时，ESD保护二极管能够抵抗15kV的电压。

ST最近扩充了保护二极管阵列产品线，推出了一个名为M6的微型封装。新产品比现有的SOT323和SOT666节省PCB空间高达75%和45%。

超高速数据线路保护

按照目标应用的信号传输速度选择TVS二极管是设计高效ESD保护功能的关键之一。基本上，前面提及的信号的数据传输速率越高，ESD保护二极管的电容就要求越低。

因此，必须把保护组件在电流信号上产生的干扰降至最低。这与TVS二极管的寄生电容有直接的关联。例如，在USB2.0的情况中，因为数据传输速率达到480Mbps，所以需要ESD保护组件的电容极低。

实验室的测量结果显示，寄生线电容高于3.5pF的ESD保护二极管可能会在高速数据传输时产生很大的信号干扰。结果可能导致USB2.0收发器无法正常读取数据。而对于USB1.1接口，寄生电容大约50pF的二极管并不会构成任何数据完整性问题。这就是USB2.0的ESD保护组件的额定寄生电容在 0V时通常要求低于3pF的主要原因。

USBULC6-2P6就是专门为满足高速数据接口的需求而开发的。这个产品的主要功能是保护USB接口。所有引脚都符合要求最严格的IEC61000-4-2第4级ESD标准。典型线路电容是2.5pF，保证低于3.5pF，可完全满足USB接口的所有设计要求。

两条数据线路之间的差分电容均衡性是设计人员必须考虑的另一个特性。因此设计人员可以给电容参数差量极小的数据线路设计极其相似的组件。这是硅二极管的一个十分显著的优点，因为变阻器的电容偏差大约10%到20%。

新的收发机发射信号的速度非常快，同时耗电也越来越大，为了有助于优化电池使用寿命，超低电容的ESD保护二极管的漏电流被降低到1微安以下。

除保护两条数据线路外，还必须保护Vbus线路。这是这个特殊的保护器件的另一个增值之处，因为它保护D+、D-和Vbus三条线路。专用的TVS二极管在相同的条件下像保护数据线路一样保护Vbus线路，防护ESD浪涌。